基于抗震規(guī)范的新建橋梁抗震優(yōu)化設(shè)計研究

仝培周

(東北大學(xué)基建管理處 沈陽市 110819)

我國地處兩大地震帶之間,地震頻發(fā)、地震烈度大。地震發(fā)生后,為搶救災(zāi)區(qū)人民生命財產(chǎn),盡快恢復(fù)生產(chǎn),完成災(zāi)后重建工作,交通運輸網(wǎng)起到至關(guān)重要的作用。作為跨越江河、溝谷等位置的構(gòu)造物,橋梁成為交通網(wǎng)中的關(guān)鍵節(jié)點,確保在震后不影響交通物資的運輸和災(zāi)后重建,因此應(yīng)對公路橋梁進行合理抗震設(shè)計。

1 原規(guī)范優(yōu)缺點分析

從設(shè)計理念和方法來講,《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ 004—89)(以下簡稱原規(guī)范)采用擬靜力法進行抗震設(shè)計,采用一水準(zhǔn)抗震設(shè)防并且只對結(jié)構(gòu)強度進行驗算。這種方法的優(yōu)點是將動力分析方法簡化為靜力計算方法,將彈塑性分析方法簡化為彈性分析方法,具有簡單、容易掌握等優(yōu)點[1],但是該抗震設(shè)計方法主要存在以下兩個缺點:(1)抗震體系均采用彈性方法,抗震體系結(jié)構(gòu)剛度均采用毛截面彈性剛度,罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)彈塑性變形,這時候結(jié)構(gòu)的剛度會出現(xiàn)很大的折減,這就導(dǎo)致在罕遇地震作用下,會低估橋梁的實際變形,出現(xiàn)落梁等災(zāi)害;(2)原規(guī)范引入綜合影響系數(shù),該綜合影響系數(shù)與理論地震力相乘折減地震力,而采用彈性方法簡化抗震計算的方法,缺點是地震力與恒載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的組合力包絡(luò)圖與實際有偏差,甚至?xí)霈F(xiàn)組合的內(nèi)力正負不一致,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計出現(xiàn)不合理現(xiàn)象。

2 汶川地震震害規(guī)律

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)汶川地震區(qū)橋梁主要為梁式橋,橋梁結(jié)構(gòu)形式為簡支梁和連續(xù)梁橋,這些橋梁普遍采用板式橡膠支座對橋梁上下部結(jié)構(gòu)進行連接,通過支座良好的耗能能力降低地震力。通過對震后橋梁調(diào)查,發(fā)現(xiàn)這些橋梁的主要病害表現(xiàn)在如下四點:(1)橋梁出現(xiàn)縱向落梁病害;(2)支座脫空;(3)梁體碰撞,a≥50+L擋塊破壞等病害;(4)墩柱發(fā)生塑性鉸以后發(fā)生剪切破壞。

分析造成以上震害現(xiàn)象的原因,歸納如下:

(1)我國中小跨徑橋梁廣泛采用板式橡膠支座,梁體直接擱置在支座上,支座與梁底和墩(臺)頂無螺栓連接。汶川地震震害表明,采用這種支座布置形式時,在地震作用下,梁底與支座頂面容易產(chǎn)生相對滑動,導(dǎo)致梁體位移,甚至出現(xiàn)落梁破壞。

(2)原規(guī)范蓋梁寬度為a≥50+L,該寬度搭接長度公式?jīng)]考慮橋梁墩高的影響因素,對于矮墩橋梁得到的結(jié)果偏大,對于高墩橋梁結(jié)果可能偏小。

(3)在地震過程中,梁體會發(fā)生劇烈震動,震動過程中,梁體與梁體之間、梁體與擋塊之間都會發(fā)生激烈碰撞,所以梁體之間及梁體與擋塊之間都要增加緩沖設(shè)施。

(4)墩柱發(fā)生塑性鉸以后發(fā)生剪切破壞,原規(guī)范彈性方法結(jié)構(gòu)設(shè)計未充分考慮墩柱受力大的位置出現(xiàn)彈塑性變形,當(dāng)墩柱出現(xiàn)塑性變形,混凝土出現(xiàn)酥裂以后,墩柱出現(xiàn)塑性鉸的位置抗剪能力大幅度降低,所以在地震力作用下出現(xiàn)剪切破壞。

3 新抗震規(guī)范的改進措施

擬建某一級公路大橋工程,上部結(jié)構(gòu)采用6×30m裝配式預(yù)應(yīng)力小箱梁,先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù),斜交角度為20°;下部結(jié)構(gòu)均采用五柱式橋墩,橋墩直徑為1.5m,墩柱高度為7.4m。一聯(lián)邊支點采用GYZF 250×65支座,中支點采用GYZ375×66板式橡膠支座?；A(chǔ)采用樁基礎(chǔ),樁徑1.8m。

項目抗震設(shè)防烈度為7度,抗震設(shè)防類別為B類,依照《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 2231-01—2020),橋梁抗震措施等級為三級。

根據(jù)勘察結(jié)果推斷,場地覆蓋層約為20.0m, 地層的等效剪切波速250 m/s<υse≤500 m/s,場地土類別為Ⅱ類。設(shè)計地震分組為第一組,設(shè)計基本地震加速度值為0.15g,特征周期為0.35s,場地的穩(wěn)定性及適宜性較好,適合工程建設(shè)。

3.1 空間動力模型的建立

Midas Civil是橋梁領(lǐng)域通用結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計系統(tǒng),它具有直觀的操作界面,并且采用了尖端的計算機顯示技術(shù)。Midas Civil集成了靜力分析、動力分析、幾何非線性分析、屈曲分析、移動荷載分析、懸索橋分析等分析設(shè)計功能[2]。采用大型有限元程序Midas Civil建立空間動力模型進行抗震分析,采用三維梁單元建立主梁與墩柱,建立空間動力計算模型。各橋墩處的樁基礎(chǔ)采用土彈簧模型模擬樁土共同作用,土彈簧按照m法進行換算,地震工況下的土彈簧剛度是靜力工況的2～3倍。有限元計算模型以順橋向為X軸,橫橋向為Y軸,豎向為Z軸。二期恒載等效為線質(zhì)量均勻施加主梁上,并換算為各個方向的有效質(zhì)量。考慮相鄰聯(lián)恒載效應(yīng)對本聯(lián)影響。計算模型見圖1。

圖1 大橋有限元模型

3.2 結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

B類橋梁采用兩階段抗震設(shè)計,分別為E1地震作用和E2地震作用。在第一階段E1地震作用下,要求橋梁各類構(gòu)件均在彈性范圍內(nèi)工作。在第二階段E2地震作用下,要求橋梁可以發(fā)生較大的變形,進行延性耗能,但是要確保橋梁不倒塌。該橋在E1地震作用下,各項計算均滿足規(guī)范要求,因此主要論述E2地震作用下橋梁的抗震狀態(tài)。假設(shè)橋梁墩柱在第二階段E2地震作用下,結(jié)構(gòu)處于彈性階段,利用反應(yīng)譜分析方法進行抗震分析。否則就需要按照如下方法判斷墩柱結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。

3.3 墩柱工作狀態(tài)判別

在E2地震作用下,對墩柱工作狀態(tài)的判別需要采用該截面彎矩-曲率曲線上的等效屈服彎矩。等效屈服彎矩是采用地震過程中實際軸力,截面實際配筋,按照PUSH-OVER方法進行推算。如果等效屈服彎矩大于橋墩關(guān)鍵截面在地震過程中產(chǎn)生的實際彎矩值,則橋墩處于彈性狀態(tài);否則說明橋墩進入塑性狀態(tài),墩柱剛度需要進行折減,與實際情況符合。

根據(jù)恒載與縱向地震效應(yīng)的組合內(nèi)力結(jié)果,進行橋墩關(guān)鍵截面工作狀態(tài)判別,結(jié)果見表 1。

表1 恒載+縱向地震作用下各墩關(guān)鍵截面工作狀態(tài)判別

由此可知,E2地震作用下,橋墩關(guān)鍵截面縱向仍處在彈性狀態(tài),不需根據(jù)新規(guī)范第6.1.9條對橋墩截面的有效抗彎剛度進行折減。

3.4 針對汶川地震常見病害的改進措施

3.4.1搭接長度計算

對于斜橋的搭接長度,應(yīng)滿足新規(guī)范第11.2條的規(guī)定:簡支梁橋和連續(xù)梁橋上部結(jié)構(gòu)梁端至墩、臺帽或者蓋梁邊緣應(yīng)有一定距離,其最小值a(cm)[3]應(yīng)按式(1)計算,且不應(yīng)小于60cm。

a≥50+0.1L+0.8H+0.5Lk=50+0.1×180+0.8×7.4+0.5×30=88.92cm。

(1)

式中:L為一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)總長度,單位m;H為支承一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)橋墩平均高度,單位m,高度取值為0;Lk為一聯(lián)上部構(gòu)最大單孔跨徑,單位m。

斜橋梁(板)端至墩、臺帽或蓋梁邊緣的最小距離[3]應(yīng)按式(2)進行驗算,并根據(jù)結(jié)果與式(1)進行比較,取最大值。

a≥50Lθ[sinθ-sin(θ-αE)]=50×180×[sin70°-sin(70°-5°)]=300.5cm。

(2)

式中:Lθ為一聯(lián)上部總長度,單位m;θ為斜交角,單位(°);αE為極限脫落轉(zhuǎn)角,一般取5°。

因此,a取300.5cm。斜橋梁(板)端至墩、臺帽或蓋梁邊緣的最小距離如圖2所示。

圖2 斜橋梁(板)端至墩、臺帽或蓋梁邊緣的最小距離

考慮到按照這個寬度進行設(shè)計,蓋梁寬度將比以往設(shè)計寬度加倍,造成工程量巨大,并且會嚴(yán)重影響美觀。根據(jù)新規(guī)范11.2.2條,當(dāng)梁端設(shè)置有橫向限位裝置和縱向防落梁裝置時,可不受斜橋梁(板)端至墩、臺帽或蓋梁邊緣的最小距離約束。綜合考慮該橋設(shè)置橫縱向擋塊等限位裝置,過渡墩(3號墩)蓋梁寬度為190cm,橋臺為100cm。

3.4.2板式橡膠支座脫空驗算

按新規(guī)范第7.5.1條相關(guān)規(guī)定對支座厚度和支座抗滑穩(wěn)定性進行驗算,新規(guī)范在驗算這兩項指標(biāo)的時候計入了50%的均勻溫度作用效應(yīng),各支座驗算結(jié)果見表2、表3。

表2 支座厚度驗算

表3 支座抗滑穩(wěn)定性驗算

經(jīng)過計算表明,對于多跨連續(xù)梁橋,采用板式橡膠支座,在地震作用下,很容易出現(xiàn)滑動、脫空等病害,因此,為保證橋梁在地震中不出現(xiàn)支座脫空,落梁等病害,該橋設(shè)計改用盆式支座與滑板支座。

3.4.3梁端碰撞及擋塊碰撞措施

在地震作用下,梁體與梁體之間、梁體與胸墻之間、梁體與擋塊之間均會產(chǎn)生激烈的碰撞,為了避免碰撞產(chǎn)生的病害,在該橋梁相關(guān)位置均設(shè)置了橡膠墊塊,以緩和沖擊作用,同時預(yù)留變形空間,保證梁體在正常使用階段的自由伸縮。

3.4.4防止墩柱剪切破壞措施

經(jīng)過計算,該橋在第二階段E2地震作用下橋墩處于彈性狀態(tài),墩柱的剪力設(shè)計值應(yīng)該按照第二階段E2地震下彈性反應(yīng)進行取值?，F(xiàn)行《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》未給出塑性鉸區(qū)外的抗剪強度計算公式,確保安全考慮,按照新規(guī)范7.3.4條對橋墩截面抗剪強度進行驗算,驗算結(jié)果見表4。

表4 橋墩抗剪強度驗算

續(xù)表4 橋墩抗剪強度驗算

新規(guī)范的抗震思想是增加結(jié)構(gòu)的延性,通過延性耗能降低地震的內(nèi)力,混凝土結(jié)構(gòu)延性增加的同時要保證抗剪強度不能降低。適當(dāng)加大箍筋的配置,對加強墩柱的變形能力、抗剪切能力都將起到很大的作用。

4 結(jié)語

通過總結(jié)汶川地震震害教訓(xùn),分析原規(guī)范存在的缺陷,并采用新規(guī)范的抗震理念,對大橋進行抗震設(shè)計,重點論述在避免落梁、支座脫空、梁體碰撞、墩柱剪切破壞等橋梁震害方面采取的具體措施,目的是避免地震作用下該橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)類似橋梁震害,確保地震發(fā)生后交通生命線不致中斷。文中的設(shè)計方法對于類似工程提供一定的參考作用。